DE102006021497A1

DE102006021497A1 - Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip

Info

Publication number: DE102006021497A1
Application number: DE200610021497
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hauder
Original assignee: MDH TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: MDH TECHNOLOGY GmbH
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine (1), die nach dem Stirling-Prinzip arbeitet, mit einem in einem ersten Zylinder (10) vorgesehenen und arbeitenden ersten Kolben (11); einem in einem zweiten Zylinder (30) vorgesehenen und arbeitenden zweiten Kolben (31); einem Verbindungsrohr (46), das den ersten Zylinder (10) und den zweiten Zylinder (30) miteinander verbindet und den Austauch eines Arbeitsmediums zwischen dem ersten Zylinder (10) und dem zweiten Zylinder (30) erlaubt; und einem Regenerator (34) für einen verbesserten Wärmetausch in dem Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine (1), wobei der Regenerator (34) in dem ersten Zylinder (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine für einen geschlossenen Kreisprozess nach dem Stirling-Prinzip.
Wärmekraftmaschinen nach dem Stirling-Prinzip bestehen in ihrer einfachsten Bauart aus je einem von außen gekühlten bzw. erhitzten Zylinder mit Kolben, die miteinander gekoppelt sind. Die beiden Zylinder sind durch ein Rohr miteinander verbunden und mit einem Arbeitsgas, dem Arbeitsmedium, gefüllt. Zunächst dehnt sich das Arbeitsgas im heißen Zylinder aufgrund der zugeführten Wärme aus und schieb dessen Kolben nach unten, so dass mechanische Arbeit geleistet wird. Auf seinem Rückweg drückt der Kolben das heiße Arbeitsgas in den kalten Zylinder, wobei das Arbeitsgas in dem Verbindungsrohr Wärme an einen darin platzierten Regenerator, einem Wärmespeicher, und den in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases folgenden kalten Wärmetauschers abgibt und sich hierbei abkühlt.
Der Kolben im kalten Zylinder, dem sog. Kompressionszylinder, eilt dem im heißen Zylinder, dem sog. Arbeitszylinder, bei einem Kurbelwellenantrieb ungefähr um eine Vierteldrehung (ca. 90 °) voraus und macht somit dem Gas Platz. Wenn der Kolben dann zu komprimieren beginnt, presst er das Gas zusammen und in den heißen Zylinder zurück. Dabei nimmt das Gas die zuvor an den Regenerator abgegebene Wärme wieder auf. Aus der Differenz der geleisteten und der aufzuwendenden Arbeit ergibt sich dann nach Ablauf eines Zyklus die gewonnene Arbeit als ein effizienter Anteil an der zur Verfügung stehenden Energie.
Bei den bekannten Bauarten von Wärmekraftmaschinen nach dem Stirling-Prinzip erfolgt der Wärmetausch entweder direkt über die Zylinderwand des Arbeits- bzw. Kompressionszylinders oder über einen angeschlossenen mit verhältnismäßig großen Balast- oder Totvolumen belasteten, konventionellen Wärmetauscher oder ein großvolumiges Wärmeübertragungssystem.
Die oben beschriebene Wärmekraftmaschine wird als sog. Alpha-Typ bezeichnet, bei dem der Motor aus zwei getrennten Zylindern, dem heißen Arbeitszylinder und dem kalten Kompressionszylinder, besteht. Weiterhin bekannt ist ein einzylindriger Beta-Typ, bei dem sich der Arbeitskolben in einer fortwährend gekühlten Kaltzone bewegt, während sich der Verdrängerkolben immer in der heißen Zone des Zylinders befindet. Beim Beta-Typ wirkt der Verdrängerkolben zugleich als Regenerator, während dieser bei dem aus zwei Zylindern bestehenden Alpha-Typ in dem Verbindungsrohr zwischen dem Arbeits- und Kompressionszylinder angeordnet ist.
Eine Wärmekraftmaschine nach dem Alpha-Typ ist beispielsweise aus der WO 85/05150 bekannt. Der Regenerator ist bei dieser Wärmekraftmaschine in dem Verbindungsrohr zwischen dem Arbeits- und Kompressionszylinder, jedoch in unmittelbarer Nähe zu dem Kompressionszylinder angeordnet.
Eine Wärmekraftmaschine nach dem Beta-Typ ist in der DE 20 2004 020 453 U1 beschrieben. Bei dieser Wärmekraftmaschine besteht der gesamte Arbeitsprozess aus vier Arbeitstakten, die mittels zwei in dem Zylinder der Wärmekraftmaschine angeordneten und arbeitenden Kolben gesteuert werden, wobei ein Kolben als Arbeits kolben und der zweite Kolben als Steuerkolben, welche als Masterkolben und Slavekolben bezeichnet werden, ausgebildet sind. Der Zylinder der Wärmekraftmaschine und die in dem Zylinder angeordneten und arbeitenden Master- und Slavekolben weisen eine von einer kreisrunden Querschnittsfläche abweichende, rechteckige Querschnittsform auf. Die in ihrer rechteckigen Querschnittsform ausgebildeten Kolben und der Zylinder lassen optimierte Oberflächen für beliebige Volumen innerhalb der Wärmekraftmaschine zu. Dadurch sind Toträume innerhalb der Wärmekraftmaschine ausgeschlossen.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip anzugeben, welche einen höheren Wirkungsgrad bei gleichzeitig einfacher Bauweise gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Demgemäß umfasst die Erfindung eine, nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Wärmekraftmaschine mit einem in einem ersten Zylinder vorgesehenen und arbeitenden ersten Kolben, mit einem in einem zweiten Zylinder vorgesehenen und arbeitenden zweiten Kolben, mit einem Verbindungsrohr, das den ersten Zylinder und den zweiten Zylinder miteinander verbindet und den Austausch eines Arbeitsmediums zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder erlaubt. Die Wärmekraftmaschine umfasst ferner einen Regenerator für einen verbesserten Wärmetausch in dem Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine, wobei der Regenerator in dem ersten Zylinder angeordnet ist.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht damit in einer Kombination der Merkmale von Wärmekraftmaschinen des Alpha- und des Beta-Typs. Die Erfindung baut auf dem Prinzip des aus zwei Zylindern bestehenden Alpha-Typs auf, welche über ein Verbindungsrohr miteinander gekoppelt sind. Im Gegensatz zu herkömmli chen Wärmekraftmaschinen nach dem Alpha-Typ ist der Regenerator jedoch nicht in einem Abschnitt des Verbindungsrohrs angeordnet, sondern ist vielmehr – wie dies beim Beta-Typ der Fall ist – in einen der beiden Zylinder verlagert. Hierdurch ergibt sich ein konstruktiv einfacherer Aufbau der Wärmekraftmaschine, wodurch diese mit im Vergleich zu herkömmlichen Wärmekraftmaschinen geringeren Kosten herstellbar ist. Aufgrund dessen ist die Wärmekraftmaschine mit höheren Temperaturen betreibbar, da der Kolben, in dem der Verdränger arbeitet, nicht auf Dichtigkeit ausgelegt zu werden braucht. Es ist somit ein Betrieb mit höheren Temperaturunterschieden möglich, so dass – verglichen mit den Wärmekraftmaschinen aus dem Stand der Technik – höhere Wirkungsgrade erzielbar sind.
Erreicht wird dies dadurch, dass der erste Kolben als Verdränger ausgebildet ist und den Regenerator bildet. Gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen nach dem Alpha-Typ wird hierdurch eine geringere Anzahl an Bauteilen benötigt, da der Wärmetauscher (Regenerator) in dem Verbindungsrohr als separates Bauteil entfällt. Die Integration des Wärmetauschers in dem ersten Zylinder lässt sich auf einfache Weise konstruktiv bewerkstelligen. Der Kolben kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder beliebigen Legierungen gefertigt werden, welche eine hohe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Zur Sicherstellung einer hohen – und im Vergleich zu bekannten Wärmekraftmaschinen erhöhten – Wärmeübertragung des Arbeitsmediums an den Regenerator weist der erste Zylinder eine Vielzahl von Wärmeübertragungselementen auf, die sich achsparallel zu einer Zylinderachse des ersten Zylinders von einer ersten und/oder einer zweiten Zylinderfläche des ersten Zylinders in das Innere des ersten Zylinders erstrecken. Ferner weist der erste Kolben an die Anzahl und Form der Wärmeübertragungselemente angepasste Durchtritte, insbesondere Bohrungen, auf. Das Vorsehen von in den Zylinder ragenden Wärmeübertragungselementen weist den Vorteil auf, dass diese gezielt beheizt oder gekühlt werden können, wodurch sich beim Betrieb der Wärmekraftmaschine eine größere Differenz zwischen der höchsten zu er reichenden oberen und der niedrigsten zu erreichenden unteren Temperatur ergibt. Damit geht eine Wirkungsgradsteigerung einher.
Der mittlere Durchmesser der Durchtritte in dem ersten Kolben ist zur Vermeidung von Reibung und zur Bereitstellung eines Strömungsquerschnitts größer als der mittlere Durchmesser der Wärmeübertragungselemente ausgebildet. Hiermit wird sichergestellt, dass beim Betrieb des ersten Kolbens in dem ersten Zylinder das Arbeitsmedium durch die Durchtritte des Kolbens hindurchgeleitet werden kann. Mit anderen Worten sind die Durchtritte und die Wärmeübertragungselemente derart ausgestaltet, dass zwischen diesen jeweils ein (umlaufender) Spalt gebildet ist, so dass das Arbeitsmedium in dem ersten Zylinder verdrängt werden kann, wenn sich der erste Kolben auf und ab bewegt.
Für eine hohe Effizienz weisen die Wärmeübertragungselemente in einer bevorzugten Ausführungsform einen Querschnitt mit großem Außenumfang auf. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeübertragungselemente eine große Oberfläche haben. Der Außenumfang kann prinzipiell beliebig gewählt werden, wobei sowohl runde als auch eckige oder polygonale Querschnittsformen in Betracht kommen.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Wärmeübertragungselemente einen von dem Arbeitsmedium durchströmbaren Hohlraum, z.B. in Form von Kanälen, aufweisen, da dann eine Temperierung des Arbeitsmediums nicht nur von außerhalb des ersten Zylinders, sondern auch innerhalb des ersten Zylinders erfolgen kann.
Zwischen dem ersten Kolben und dem ersten Zylinder ist gemäß einer weiteren Ausführungsform ein zur Bereitstellung eines Strömungsquerschnitts umlaufender Spalt ausgebildet. Hierdurch wird das Verdrängen des Arbeitsmediums innerhalb des ersten Zylinders ermöglicht.
Ein Kennzeichen der erfindungsgemäßen Kraftmaschine ist weiter, dass der erste Zylinder ein geschlossenes Gehäuse aufweist, welches lediglich eine Aussparung für den Durchtritt einer ersten Pleuelstange zur Herstellung einer mechanischen Kopplung zwischen dem ersten Kolben und einem Kurbeltrieb aufweist. Die Pleuelstange vollführt somit nur eine Lateralbewegung, parallel zu einer Achse des ersten Zylinders. Die geschlossene Form des ersten Zylinders ermöglicht die Verschiebung eines großen Volumens des Arbeitsmediums, womit eine Erhöhung der Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine einhergeht, da das Totvolumen klein gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist am Umfang der Aussparung eine Führung für die erste Pleuelstange angeordnet, wobei die Führung insbesondere als Gleitlager ausgebildet ist. Hierdurch werden Reibungsverluste beim Betrieb vermieden.
Es ist weiter ein Verbindungsmittel vorgesehen, das über ein erstes Drehgelenk mit der ersten Pleuelstange des ersten Kolbens und über ein zweites Drehgelenk mit dem Kurbeltrieb verbunden ist, um die Übertragung der Drehbewegung des Kurbeltriebs auf den ersten Kolben zu ermöglichen.
Dem ersten Zylinder der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sind eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des ersten Zylinderteils und eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des zweiten Zylinderteils zugeordnet. Die Zuordnung der Heiz- und Kühlvorrichtung erfolgt damit lediglich zu einem einzigen Zylinder, während bei herkömmlichen Alpha-Typ-Wärmekraftmaschinen die Kühlvorrichtung dem Kompressionszylinder und die Heizvorrichtung dem Arbeitszylinder zugeordnet ist. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn das erste Zylinderteil und das zweite Zylinderteil durch eine Isolierung thermisch voneinander getrennt sind.
In einer weiteren Ausbildung ist eine erste Anzahl der Wärmeübertragungselemente an dem ersten Zylinderteil und eine zweite Anzahl der Wärmeübertragungselemente an dem zweiten Zylinderteil angeordnet, wobei die Heizvorrichtung zur Erwärmung von Wandabschnitten des ersten Zylinderteils und/oder der ersten Anzahl an Wärmeübertragungselementen und die Kühlvorrichtung zur Kühlung von Wandabschnit ten des zweiten Zylinderteils und/oder der zweiten Anzahl an Wärmeübertragungselementen ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Möglichkeit zur Beheizung bzw. Kühlung der an dem jeweiligen Zylinderteil befestigten Anzahl an Wärmeübertragungselementen besteht. Hierdurch wird ein besonders effektiver Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium ermöglicht, was eine höhere Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ermöglicht.
Die Heizvorrichtung kann außerhalb oder in dem ersten Zylinderteil und/oder der ersten Anzahl an Heizelementen angeordnet sein. Die Kühlvorrichtung kann außerhalb oder in dem zweiten Zylinderteil und/oder der zweiten Anzahl an Heizelementen angeordnet sein. In bekannter Weise sind beliebige Wärme- bzw. Kühlquellen einsetzbar.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass dem zweiten Zylinder, der den Arbeitszylinder darstellt, eine weitere Kühlvorrichtung zugeordnet ist. Die weitere Kühlvorrichtung kann durch die Kühlvorrichtung, die dem ersten Zylinder zugeordnet ist, gebildet sein, so dass die Wärmekraftmaschine in einer praktischen Realisierung lediglich eine (gemeinsame) Kühlvorrichtung aufweist. Die Temperatur des Arbeitsmediums in dem Arbeitskolben liegt dann in einem Bereich der Temperatur des gekühlten Arbeitsmediums in dem Verdrängerkolben. Hierdurch wird ein optimierter Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ermöglicht. Die weitere Kühlvorrichtung kann auch als separate Kühlvorrichtung ausgebildet sein, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums in dem Arbeitszylinder dann frei einstellbar ist. Bevorzugt werden Temperaturen in einem Bereich von 80 ° bis 100 ° angestrebt, da der Arbeitszylinder dann vorteilhafterweise konstruktiv ähnlich (oder sogar identisch) einem Zylinder eines Otto- oder Dieselmotors ausgebildet werden kann.
Der zweite Kolben ist über eine zweite Pleuelstange mit dem Kurbeltrieb gekoppelt, wobei die zweite Pleuelstange mit dem zweiten Drehgelenk des Kurbeltriebs verbunden ist. Das zweite Drehgelenk stellt damit ein gemeinsames Drehgelenk für die Bewegung des ersten und des zweiten Kolbens dar, was eine konstruktive Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
Die Zylinderachsen des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders nehmen in einer Ausführungsform einen Winkel zwischen 0 ° und 180 ° ein. Es ist damit die Bereitstellung einer Wärmekraftmaschine als Reihenmotor, als V-Motor (insbesondere mit einem Zylinderwinkel von 90 °) oder mit gegenüber liegend angeordneten Zylindern, als sog. Boxermotor, möglich.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine ist insbesondere zur Verwendung als Stromgenerator mit einer Leistung von ca. 10 KW bis 100 kW einsetzbar, wobei auch größere Leistungen bereit stellbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine in einer ersten Arbeitsstellung,
2 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine in einer zweiten Arbeitsstellung,
3 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine in einer dritten Arbeitsstellung,
4 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine in einer vierten Arbeitsstellung,
5 eine vergrößerte Darstellung eines als Regenerator ausgebildeten Kolbens eines Kompressionszylinders der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine, und
6 verschiedene Ausführungsbeispiele möglicher Querschnittsformen von Wärmeübertragungselementen in dem Kompressionszylinder der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 jeweils in einer schematischen Querschnittsdarstellung in unterschiedlichen Arbeitsstellungen. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 kombiniert die Konstruktionsprinzipien von Alpha- und Beta-Typ-Wärmekraftmaschinen. Die Wärmekraftmaschine 1 weist einen ersten Zylinder 1 auf, der nachfolgend als Verdrängerzylinder bezeichnet wird. Der Verdrängerzylinder 10 ist an einer Anschlussöffnung 21 über ein Verbindungsrohr 46 mit einer Anschlussöffnung 33 eines zweiten Zylinders 30 verbunden, welcher nachfolgend als Arbeitszylinder bezeichnet wird. Im Verdrängerzylinder 10 ist ein als Verdränger bezeichneter erster Kolben 11 angeordnet. Im Arbeitszylinder 30 ist ein zweiter Kolben 31, der als Arbeitskolben bezeichnet wird, angeordnet. Der Verdrängerzylinder 10 und der Arbeitszylinder 30 sind im Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 90 ° zueinander angeordnet, wobei der Winkel auch kleiner oder größer gewählt werden kann. Der Arbeitszylinder 30 kann konstruktiv identisch mit einem Zylinder eines Otto- oder Dieselmotors ausgebildet sein.
Der Verdrängerzylinder 10 weist ein geschlossenes Gehäuse auf. Der Verdrängerzylinder 10 ist aus einem ersten Zylinderteil 13, welchem eine in der Figur nicht dargestellte Heizvorrichtung zugeordnet ist ("hot"), und einem zweiten Zylinderteil 14, dem eine ebenfalls nicht dargestellte Kühlvorrichtung zugeordnet ist ("cold"), aufgebaut. Das erste Zylinderteil 13 und das zweite Zylinderteil 14, welche jeweils eine im Wesentlichen topfförmige Form aufweisen, sind über eine umlaufende Isolierung 18 thermisch voneinander isoliert. Von einer Zylinderfläche 22 des ersten Zylinderteils 13 her erstreckt sich eine Anzahl an stiftförmigen Wärmeübertragungselementen 16 parallel zu einer Zylinderachse des Verdrängerzylinders 10 ins Innere des Zylinders. In entsprechender Weise erstreckt sich eine Anzahl an stiftförmigen Wärmeübertra gungselementen 17 von einer Zylinderfläche 23 des zweiten Zylinderteils 14 her ebenfalls parallel zu der Zylinderachse ins Innere des Zylinders. Jeweils zwei der Wärmeübertragungselemente 16, 17 liegen hierbei auf einer gemeinsamen Achse, wobei ihre jeweiligen Enden in einem geringen Abstand zueinander zum Liegen kommen. Der Abstand kann beispielsweise in einem Bereich um den mittleren Durchmesser der stiftförmigen Wärmeübertragungselemente liegen, wobei der ideale Abstand im Rahmen einer Optimierung zu bestimmen ist. Ebenso ist die Anzahl der Wärmeübertragungselemente 16, 17, deren mittlerer Durchmesser sowie deren jeweiliger Abstand in Rahmen einer Optimierung zu bestimmen, wobei Ziel der Optimierung die Bereitstellung einer möglichst großen Oberfläche der Wärmeübertragungselemente 16, 17 ist.
Die Wärmeübertragungselemente 16, 17 sind jeweils thermisch an das erste bzw. zweite Zylinderteil 13, 14 angekoppelt. Die Anzahl an Wärmeübertragungselementen 16 kann zu diesem Zweck indirekt durch Beheizung des ersten Zylinderteils 13 durch die Heizvorrichtung erwärmt und die Anzahl an Wärmeübertragungselementen 17 indirekt durch Kühlung des zweiten Zylinderteils 14 durch die Kühlvorrichtung gekühlt werden.
Die dem ersten Zylinderteil 13 zugeordnete Heizvorrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass nicht lediglich die Wandungen des ersten Zylinderteils 13, sondern auch die Wärmeübertragungselemente 16 geheizt werden. Zu diesem Zweck können die Wärmeübertragungselemente 16 mit Kanälen ausgestattet sein, damit die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärme durch das Innere der Wärmeübertragungselemente transportiert werden kann. In entsprechender Weise erfolgt die Verbindung und die Ausgestaltung der Wärmeübertragungselemente 17 mit dem zweiten Zylinderteil 14 und die Anordnung der Kühlvorrichtung derart, dass neben den Wandungen des zweiten Zylinderteils 14 auch die Wärmeübertragungselemente 17 gekühlt werden.
Die Wärmeübertragungselemente 16, 17 sind derart ausgebildet, dass sie eine große Oberfläche zur Übertragung eines möglichst großen Wärmeanteils an ein Arbeitsme dium, z.B. ein Gas, wie z.B. Luft oder Helium oder ein Gasgemisch, der Wärmekraftmaschine aufweisen. Mögliche Querschnittsformen sind beispielhaft in der 6 dargestellt. So können die Wärmeübertragungselemente 16, 17 sternförmig, z.B. in der Form einer Achtecks oder eines Fünfecks, ausgebildet sein. Der Querschnitt kann ellipsoid oder kreisrund sowie quadratisch oder rechteckig ausgebildet sein. Allgemein ist jede beliebige polygonale Querschnittsform möglich, wobei insbesondere solche Querschnittsformen bevorzugt werden, welche eine möglichst große Oberfläche der Wärmeübertragungselemente 16, 17 zur Folge haben.
Der Verdränger 11, der einen Regenerator 34 der Wärmekraftmaschine 1 ausbildet, weist eine an die Anzahl und Form der Wärmeübertragungselemente angepasste Anzahl an Durchtritten 12, z.B. in Form von Bohrungen, auf. Dies geht besser aus der 5 hervor, in welcher die Anordnung der Wärmeübertragungselemente 16 und 17 zueinander und relativ zu dem Verdränger 11 dargestellt ist. Hierbei ist auch ersichtlich, dass der mittlere Durchmesser der Durchtritte 12 größer als der mittlere Durchmesser der Wärmeübertragungselemente 16, 17 ist. Ferner bewegt sich der Verdränger 11 beabstandet zu einer Innenwand 24 des Verdrängerzylinders 10, so dass der mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnete, umlaufende Spalt 20 zwischen der Innenwand 24 und dem Verdränger 11 gebildet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einer Bewegung des Verdrängers 11 das Arbeitsmedium von dem ersten Zylinderteil 13 in den zweiten Zylinderteil 14, und umgekehrt, gelangen kann.
Aus der Darstellung geht weiterhin gut ersichtlich hervor, dass jeweils ein Wärmeübertragungselement der Anzahl an Wärmeübertragungselementen 16 und ein Wärmeübertragungselement der Anzahl an Wärmeübertragungselementen 17 fluchtend zueinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine Bewegung des Verdrängers 11 innerhalb des Verdrängerzylinders 10 möglich, wobei – je nach Stellung des Verdrängers – entweder die erste Anzahl der Wärmeübertragungselemente 16 oder die zweite Anzahl der Wärmeübertragungselemente 17 vollständig in die Durchtritte 12 eintauchen oder die Wärmeübertragungselemente 16 und 17 jeweils teilweise in die Durchtritte 12 eintauchen. Aufgrund des dabei an den jeweiligen Wärmeübertragungsele menten 16, 17 zwangsweise vorbeiströmenden Arbeitsmediums findet eine Wärmeübertragung an dieses statt.
Der Arbeitskolben 31 ist über eine Pleuelstange 32 mit einem Kurbeltrieb 40 verbunden. Hierbei ist ein Drehgelenk 37 mit dem Arbeitskolben 31 und ein Drehgelenk 44 mit dem Kurbeltrieb 40 verbunden. Der Kurbeltrieb 40 weist eine mit dem Bezugszeichen 45 gekennzeichnete Drehrichtung um eine Drehwelle 41 auf. Der Verdränger 11 ist über eine Pleuelstange 19 und eine weitere Stange 43 mit dem Kurbeltrieb 40 verbunden. Die Pleuelstange 19 ist dabei durch eine Aussparung 15 in dem zweiten Zylinderteil 14 geführt, welche zur Minimierung von Reibungen bevorzugt mit einem Gleitlager ausgestattet ist. Das von dem Verdränger 11 abgewandete Ende der Pleuelstange 19 ist mit einem Drehgelenk 42 versehen. Die weitere Stange 43 ist an dem Drehgelenk 42 und dem Drehgelenk 44 des Kurbeltriebs 40 befestigt.
Eine weitere, in den 1 bis 4 nicht dargestellte, Kühlvorrichtung oder die dem Verdrängerzylinder zugeordnete Kühlvorrichtung ist ferner dem Arbeitszylinder 30 zugeordnet, welcher diesen kühlt, so dass das Arbeitsmedium eine dem Kühlmedium entsprechende Temperatur im Betrieb annimmt, die beispielsweise im Bereich von 80 bis 100 °C liegt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Verdrängerzylinders 10 ermöglicht eine sehr hohe Wärmespeicherfähigkeit des als Regenerator ausgebildeten Verdrängers 11. Während das Arbeitsmedium in der Umgebung des ersten Zylinderteils 13 eine Temperatur von über ca. 200 °C aufweist, weist das in Richtung des zweiten Zylinderteils 14 verdrängte Arbeitsmedium eine Temperatur von 80 °C bis 100 °C auf.
Im Ergebnis sind die "Heizung" und "Kühlung" ins Innere des Verdrängerkolbens verlagert, wodurch die Effizienz der Wärmekraftmaschine 1 erheblich gesteigert werden kann. Darüber hinaus ist das Vorsehen des Regenerators in dem Verbindungsrohr 46 entbehrlich, wodurch die Wärmekraftmaschine 1 im Ergebnis konstruktiv einfacher aufgebaut ist.
1 zeigt die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine 1 in einer ersten Arbeitsstellung, in der eine maximale Expansion des Arbeitsmediums gegeben ist. Hat sich der Kurbeltrieb 40 um weitere 90 ° in Drehrichtung 45 verdreht, so nimmt die Wärmekraftmaschine 1 eine zweite Arbeitsstellung ein, in welcher eine Kompression durch den Arbeitskolben 31 erfolgt, der sich nach oben bewegt, wobei das Arbeitsmedium abgekühlt wird (vgl. 2). Eine weitere Verdrehung des Kurbeltriebs 40 um 90 ° führt zu einer dritten Arbeitsstellung, in der sich der Arbeitskolben 31 in seiner obersten Position befindet. Hierbei wird eine maximale Kompression erreicht, wobei der Verdränger 11 in etwa eine Mittellage einnimmt und eine Bewegung in Richtung des zweiten Zylinderteils 14 vollführt. Dies ist in 3 dargestellt. Eine weitere Verdrehung des Kurbeltriebs 40 um 90 ° führt zu einer Expansion des Arbeitsmediums, wobei sich der Verdränger in seiner untersten Position befindet, so dass das Arbeitsmedium in Richtung des ersten Zylinderteils 13 verdrängt wurde, wobei sich dieses erwärmt. Der Arbeitskolben 31 befindet sich hierbei in seiner untersten Stellung. Dies ist in 4 dargestellt. Eine Erwärmung des Arbeitsmediums findet somit vor und während der Expansion des Arbeitsgases statt. Eine Kühlung des Arbeitsgases findet vor und während der Kompression des Arbeitsgases statt.

1: Wärmekraftmaschine
10: Verdrängerzylinder
11: Verdränger
12: Durchtritt
13: erstes Zylinderteil
14: zweites Zylinderteil
15: Aussparung
16: Wärmeübertragungselement
17: Wärmeübertragungselement
18: Isolierung
19: Pleuelstange
20: Spalt, umlaufend zwischen Verdränger und Zylinder
21: Anschlussöffnung für Verbindungsrohr 46
22: Zylinderfläche
23: Zylinderfläche
24: Innenwand
30: Arbeitszylinder
31: Arbeitskolben
32: Pleuelstange
33: Anschlussöffnung für Verbindungsrohr 46
34: Regenerator
37: Drehgelenk
40: Kurbeltrieb
41: Welle
42: Drehgelenk
43: Stange
44: Drehgelenk, gemeinsam für Pleuelstange 19 und 32
45: Drehrichtung
46: Verbindungsrohr

Claims

Wärmekraftmaschine (1), die nach dem Stirling-Prinzip arbeitet, mit – einem in einem ersten Zylinder (10) vorgesehenen und arbeitenden ersten Kolben (11), – einem in einem zweiten Zylinder (30) vorgesehenen und arbeitenden zweiten Kolben (31), – einem Verbindungsrohr (46), das den ersten Zylinder (10) und den zweiten Zylinder (30) mit einander verbindet und den Austausch eines Arbeitsmediums zwischen dem ersten Zylinder (10) und dem zweiten Zylinder (30) erlaubt, und – einem Regenerator (34) für einen verbesserten Wärmetausch in dem Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine (1), wobei der Regenerator (34) in dem ersten Zylinder (10) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (11) als Verdränger ausgebildet ist und den Regenerator (34) bildet.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (10) eine Vielzahl von Wärmeübertragungselementen (16, 17) aufweist, die sich achsparallel zu einer Zylinderachse des ersten Zylinders (10) von einer ersten und/oder einer zweiten Zylinderfläche (22, 23) des ersten Zylinders (10) in das Innere des ersten Zylinders (10) erstrecken und der erste Kolben (11) an die Anzahl und Form der Wärmeübertragungselemente (16, 17) angepasste Durchtritte (12), insbesondere Bohrungen, aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Durchtritte (12) zur Vermeidung von Reibung und zur Bereitstellung eines Strömungsquerschnitts größer als der mittlere Durchmesser der Wärmeübertragungselemente (16, 17) ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungselemente (16, 17) einen Querschnitt mit großem Außenumfang aufweisen.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungselemente (16, 17) einen von dem Arbeitsmedium durchströmbaren Hohlraum aufweisen.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kolben (11) und dem ersten Zylinder (10) ein zur Bereitstellung eines Strömungsquerschnitts ein umlaufender Spalt (20) ausgebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (10) ein geschlossenes Gehäuse aufweist, welches lediglich eine Aussparung (15) für den Durchtritt einer ersten Pleuelstange (19) zur Herstellung einer mechanischen Kopplung zwischen dem ersten Kolben (11) und einem Kurbeltrieb (40) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang der Aussparung (20) eine Führung für die ersten Pleuelstange (19), insbesondere ein Gleitlager, angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsmittel (43) vorgesehen ist, das über ein erstes Drehgelenk (42) mit der ersten Pleuelstange (19) des ersten Kolbens (11) und über ein zweites Drehgelenk (44) mit dem Kurbeltrieb (40) verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Zylinder (10) eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des ersten Zylinderteils (22) und eine Kühlvorrichtug zur Kühlung des zweiten Zylinderteils (23) zugeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zylinderteil (22) und das zweite Zylinderteil (23) durch eine Isolierung (18) thermisch von einander getrennt sind.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anzahl der Wärmeübertragungselemente (16) an dem ersten Zylinderteil (22) und eine zweite Anzahl der Wärmeübertragungselemente (17) an dem zweiten Zylinderteil (23) angeordnet ist, wobei die Heizvorrichtung zur Erwärmung von Wandabschnitten des ersten Zylinderteils (22) und/oder der ersten Anzahl an Wärmeübertragungselementen (16) und die Kühlvorrichtung zur Kühlung von Wandabschnitten des zweiten Zylinderteils (23) und/oder der zweiten Anzahl an Wärmeübertragungselementen (17) ausgebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung außerhalb oder in dem ersten Zylinderteil (22) und/oder der ersten Anzahl an Heizelementen (16) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung außerhalb oder in dem zweiten Zylinderteil (23) und/oder der zweiten Anzahl an Heizelementen (17) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Zylinder (30) eine weitere Kühlvorrichtung zugeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (31) über eine zweite Pleuelstange (32) mit dem Kurbeltrieb (40) gekoppelt ist, wobei die zweite Pleuelstange (32) mit dem zweiten Drehgelenk (44) des Kurbeltriebs (40) verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachsen des ersten Zylinders (10) und des zweiten Zylinders (30) einen Winkel zwischen 0 ° und 180 ° einnehmen.
Verwendung einer Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche als Stromgenerator.